基于專家系統(tǒng)無人機飛行控制系統(tǒng)故障智能

1、基于專家系統(tǒng)的無人機飛行控制系統(tǒng)故障智能診斷小組成員：李華東（20134678）趙秋帆（20134692）劉志君（20134679）一、無人機系統(tǒng)的應用植保工作原理：工作原理：利用無人機作為飛行平臺，搭載藥箱、噴灑設備或者監(jiān)測設備，對農田進行噴藥或者數(shù)據(jù)采集。無人機做植保早在幾年之前就已經(jīng)被業(yè)內所認可，但由于技術限制和飛行安全限制等因素導致該行業(yè)只有零碎的廠商以服務外包形式在做。而隨著我國無人機政策的完善和實行，在有法可依的情況下，加之植保無人機的快速高效的優(yōu)勢，該領域一定會被越來越多的人所關注。無人機航拍工作原理：工作原理：利用攜帶攝像機裝置的無人機，開展大規(guī)模航拍，實現(xiàn)空中俯瞰的效果。首先

2、需要聲明的是，這里所謂的“航拍”并不是日常我們所接觸的。而是通過專業(yè)級的航拍來為某一領域提供資料。比如說“全景地圖”， 谷歌和騰訊街景都“Out”了，那一輛輛的街景車一遍一遍地壓馬路，說不定哪天就把你我的正臉給拍進去了，但無人機就大不一樣了，其拍攝的街 景圖片不僅有一種鳥瞰世界的視角，還帶有些許藝術氣息。別忘了，在常年云遮霧罩的地區(qū)，遙感衛(wèi)星不夠靈光的時候，無人機可要沖鋒陷陣。電力巡檢工作原理：工作原理：裝配有高清數(shù)碼攝像機和照相機以及GPS定位系統(tǒng)的無人機，可沿電網(wǎng)進行定位自主巡航，實時傳送拍攝影像，監(jiān)控人員可在電腦上同步收看與操控。該領域與植保無人機相同，最近幾年也一直被行業(yè)內所關注，但不

3、同的是，電力巡檢無人機在2015年就開始被各大電力公司應用于實際 操作。因為其工作屬性本就屬于專業(yè)性質，所以對操控人員的要求也極其嚴格。這也充分了保證了應用過程中的安全問題。在2016年，該領域一定會繼續(xù)前進。二、無人機系統(tǒng)的組成 飛機機體 飛控系統(tǒng)無人機系統(tǒng) 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng) 發(fā)射回收系統(tǒng) 電源系統(tǒng)其中飛行控制系統(tǒng)是無人機中最為重要的子系統(tǒng)，承擔著無人機的飛行控制、自主導航等多項功能，它作為無人機的“大腦”控制無人機整個飛行過程。它的工作狀態(tài)直接影響到飛行的品質和安全性。飛行控制系統(tǒng)組成三、無人機飛行控制系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障1.計算機分系統(tǒng)故障2.傳感器分系統(tǒng)故障3.伺服作動分系統(tǒng)故障四、無人機飛行

4、控制系統(tǒng)故障檢測1.對飛行控制系統(tǒng)進行故障檢測的意義無人機飛行控制系統(tǒng)在無人機整個系統(tǒng)中舉足輕重,其系統(tǒng)狀態(tài)運行是否良好關系著整個無人機的安全。2.飛行控制系統(tǒng)故障檢測方法專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)：一種基于知識的計算機程序系統(tǒng),它能模擬專門領域的專家求解問題的能力,對有面臨的復雜問題做出專家水平的結論。由于它解決問題的能力主要取決于它擁有的知識,所以又稱專家系統(tǒng)為知識庫系統(tǒng)。這種基于知識的計算機程序,事先將有關的專家的知識、經(jīng)驗總結出來,形成一系列規(guī)則,并將它們以適當?shù)男问酱嫒胗嬎銠C,即建立知識庫。然后,采用合適的控制策略,按輸入的原始數(shù)據(jù)選擇一定的規(guī)則進行推理、演繹,做出判斷和決策,并能根據(jù)用戶的要

5、求給出滿意的解釋。從專家系統(tǒng)的結構角度,專家系統(tǒng)定義如下： 一個專家系統(tǒng)是由一個四元組組成： ES=(P,S,L,K) 其中 P 是要解決的問題,S 為系統(tǒng)的推理控制策略, L 是學習機制,K 為知識庫。專家系統(tǒng)就是為了解決具有專家級的適當規(guī)模的問題,采取一定的推理控制策略,具備相當豐富和權威的知識,并具有學習機制,能對知識庫進行改進,以增強解題能力的計算機系統(tǒng)。專家系統(tǒng)的知識獲取專家系統(tǒng)的知識庫一般由規(guī)則庫、語義網(wǎng)絡、事實庫組成。 可由以下三元組表示： K=(RE,FB,SN); 其中RB 是規(guī)則庫,FB 是事實庫,SN 是語義網(wǎng)絡.一個知識庫可以由規(guī)則不相交的若干知識庫組成,每個知識塊包括

6、有限個數(shù)的規(guī)則組、事實組以及語義網(wǎng)絡組,用 k j表示知識塊, j 表示知識塊號;專家系統(tǒng)的實現(xiàn)方法對于任何一個系統(tǒng)的研制都有其開發(fā)的流程,專家系統(tǒng)的研制也有專家系統(tǒng)的基本規(guī)范和步驟,即大致要經(jīng)歷可行性研究、獲取領域知識、構架專家系統(tǒng)的模型、系統(tǒng)的編碼實現(xiàn)、系統(tǒng)測試和完善以及系統(tǒng)維護等階段,有些階段還需要反復進行。例如:領域知識的獲取、系統(tǒng)測試完善就需要不斷反復進行。專家系統(tǒng)開發(fā)流程圖如右圖所示：專家系統(tǒng)的實現(xiàn)方法針對診斷專家系統(tǒng)幾個重要的功能模塊提出的開發(fā)針對診斷專家系統(tǒng)幾個重要的功能模塊提出的開發(fā)策略策略： (1)用戶界面的開發(fā)用戶界面的開發(fā)。用戶界面是用戶使用專家系統(tǒng)的操作界面,如果設計

7、的用戶界面不友好,一個再好的系統(tǒng)讓用戶使用起來也不方便。建立專家系統(tǒng)的目的就是讓用戶方便地使用該系統(tǒng),所以構建一個友好的用戶界面對專家系統(tǒng)來說極為重要。目前,自然、方便、靈活是專家系統(tǒng)的目標和發(fā)展方向。越來越多的技術已應用在專家系統(tǒng)的人機界面的開發(fā)中,常常采用的有菜單、按鈕等控件的方式,還有虛擬技術和多媒體技術也逐漸在專家系統(tǒng)中應用。 (2)知識庫管理模塊的開發(fā)知識庫管理模塊的開發(fā)。專家系統(tǒng)的知識需要對其管理和維護,以便提高系統(tǒng)效率。知識管理模塊就是實現(xiàn)對知識庫中知識的管理與維護。由于知識獲取是一個長期積累的過程,不可能在某一固定時期就能把整個系統(tǒng)的知識全部獲得,所以知識庫的建立是一個長期的過

8、程。需要系統(tǒng)具有對系統(tǒng)知識不斷完善和修正的功能。不同層次的用戶對知識的理解層的也不一樣,應為不同層次的用戶(領域專家、知識工程師、設備維修人員等)設計一種較通用的診斷知識描述語言,并提供知識的檢查功能,確保知識的正確性,避免知識庫的冗余等。對于有些龐大而復雜的系統(tǒng)的故障的診斷需要分成子系統(tǒng)進行診斷,這就需要對知識進行層次的劃分,從而將求解知識劃分為若干個模塊,不同模塊的知識分別存儲且相對獨立。這樣做的優(yōu)點有兩個:一是知識的獲取與管理相對集中,局部參數(shù)變量即使重名也不相互影響,便于知識的維護和管理;二是故障診斷時,系統(tǒng)每次只需加載某一個知識庫到內存,大大提高了知識搜索和匹配的效率。降低了對內存的

9、要求,診斷系統(tǒng)知識的數(shù)量也不會受到限制。 (3)推理模塊的開發(fā)推理模塊的開發(fā)。診斷知識的表示方法對推理機策略選擇有直接影響。為了達到對復雜問題的求解和求解的嚴密性,智能故障診斷專家系統(tǒng)的診斷推理被設計為可以支持多種推理方式的綜合推理機,專家可對推理過程進行指導和修正。雖然綜合的推理機制的算法實現(xiàn)具有一定的復雜性,但系統(tǒng)的求解方式更靈活,解決問題的能力更強,推理更嚴密,形成針對特定問題的診斷推理方法,能有效地解決各種推理難題,有效提高系統(tǒng)問題的解決能力。 (4)知識獲取模塊的開發(fā)知識獲取模塊的開發(fā)。獲取到豐富、準確、有價值的信息和知識對一個故障診斷專家系統(tǒng)來說是專家系統(tǒng)自身價值的體現(xiàn),直接影響到

10、故障診斷的診斷結果的可信度和準確性。所以系統(tǒng)的知識獲取能力是評價一個故障診斷專家系統(tǒng)的一個重要指標。構建專家系統(tǒng)時,首先要明確哪些信息是屬于自動獲取的,哪些信息是屬于被動獲取的,哪些信息又是在診斷過程中實時獲取的。由于專家的某些信息是通過其感官獲取的。這些信息又極其重要,因此對這些信息的獲取需要重視。需要專家通過人機接口將這些信息提供給專家系統(tǒng)。因此專家系統(tǒng)的人機接口是獲取知識必不可少組成部分。專家系統(tǒng)在無人機中的具體實現(xiàn)總體思想總體思想:通過對無人機飛行控制系統(tǒng)設備的測試,將獲取飛控系統(tǒng)各個機載設備的故障特點與特征信號(包括正常和異常),并將其與知識庫中的規(guī)則進行匹配,經(jīng)過推理機的推理對檢測

11、信息進行故障診斷,查明導致被測單元故障所在子系統(tǒng)及故障原因,并能夠對飛行控制系統(tǒng)機載設備的故障、故障性質和故障程度做出判斷和決策。在無人機飛行控制系統(tǒng)故障診斷功能和性能要求分析的基礎之上,結合專家系統(tǒng)的要求和特點設計出了一種智能的無人機飛行控制系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng),其主要包括人機接口、知識獲取與管理、推理機、解釋決策、故障知識庫、綜合數(shù)據(jù)庫等模塊,其總體框架如圖 所示: (1)無人機飛控系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)庫無人機飛控系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)庫:又稱為全局數(shù)據(jù)庫“綜合數(shù)據(jù)庫主要用于存取無人機飛控系統(tǒng)故障診斷推理過程中的各種信息,如初始值!激勵后的測試值!推理過程中得到的中間結論以及診斷的最后結果”當無人機飛控系統(tǒng)

12、故障知識庫中某一條規(guī)則的前提與無人機飛控系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)庫中的某己知事實相匹配時,該激活該規(guī)則,并把該規(guī)則的結論作為此次推理的結論存在無人機飛控系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)庫中,作為后續(xù)推理的已知事實或本次推理的最終結論“可見,無人機飛控系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)庫的內容是隨著無人機故障診斷推理的進行而不斷變化” 。(2)無人機飛控系統(tǒng)故障知識庫無人機飛控系統(tǒng)故障知識庫:存儲了無人機飛行控制領域專家的專業(yè)知識和飛控系統(tǒng)維護人員在維護過程中積累的維護經(jīng)驗,包括故障檢測的方法!故障特征!故障原因!維修方法和專家意見等“ 。(3)知識獲取模塊知識獲取模塊:用戶(地面維護人員或飛控領域專家)通過人機接口為本系統(tǒng)知識庫中的知識進行添加!

13、刪除!修改等,以及獲取診斷對象的有關信息,為診斷提供依據(jù)“ 。(4)推理機推理機:推理機制是整個專家系統(tǒng)的核心,控制著知識庫中所有規(guī)則的調度,根據(jù)不同的診斷情況調用不同的規(guī)則進行診斷“ 。(5)解釋說明機制解釋說明機制:無人機飛控系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)中的知識表達或知識推理都有特定的形式,這些形式在很大程度上是為了系統(tǒng)開發(fā)的方便而設計的,大多數(shù)下,這些形式人們是難以理解的,為此要求它能對知識庫中的規(guī)則和診斷結果給出合理的解釋,并用一種人們容易理解的形式表達出來“通過人機界面提供給用戶(維護人員)或領域飛控系統(tǒng)專家參閱” 。(6)人機接口人機接口:人機接口是診斷系統(tǒng)所必需的,它是用戶和專家系統(tǒng)之間

14、的通信橋梁,使得用戶和系統(tǒng)之間可以進行數(shù)據(jù)!診斷結果!解釋的交互“通過人機接口,系統(tǒng)可以不斷獲取高質量的知識,系統(tǒng)維護人員可以方便地添加!刪除和修改故障診斷的規(guī)則,從而高效地建立!擴展和維護故障診斷專家系統(tǒng)的知識庫,從而不斷提高系統(tǒng)的診斷效率和準確度”。五、無人機避障超聲波避障一個比較形象的比喻就是蝙蝠。這種飛行類哺乳動物，通過口腔中喉部的特殊構造來發(fā)出超聲波，當超聲波遇到獵物或者障礙的時候就會反射回來，蝙蝠可以用特殊的聽覺系統(tǒng)來接收反射回來的信號，從而探測目標的距離，確定飛行路線。但是，超聲波在無人機避障系統(tǒng)的應用中也有比較明顯的干擾問題。雖然超聲波避障系統(tǒng)不會受到光線、粉塵、煙霧，但在部分

15、場景下也會受到聲波的干擾。其次，如果物體表面反射超聲波的能力不足，避障系統(tǒng)的有效距離就會降低，安全隱患會顯著提高。一般來說，超聲波的有效距離是5米，對應的反射物體材質是水泥地板，如果材質不是平面光滑的固體物，比如說地毯，那么超聲波的反射和接收就會出問題。對于無人機來說，這種超聲波系統(tǒng)應該放在多個方向，比如放在前后左右四個方向，可以在懸停和飛行的時候對周圍保持監(jiān)控；而放在機身下方和上方，則可以在起飛、下降以及降落的時候避免速度太快碰到障礙物或者地面。通俗一點講，就是把前面的超聲波換成光。檢測方法有兩種一種是光的時間，另一種是光的相位。但是總的來說，都是把光打出去，然后檢測反射回來的光，進而判斷無

16、人機的周圍是否有障礙物，距離幾何等等。零度最近展示的無人機TOF避障系統(tǒng)，使用的就是光相位檢測。和超聲波同樣，光波也會受到干擾，而目前城市環(huán)境下樓宇間的光污染，給TOF避障系統(tǒng)帶來了難題，系統(tǒng)發(fā)出的光，必須避開太陽光的主要能量波段，從而避免太陽光的直射、反射等對避障系統(tǒng)造成干擾。至于TOF系統(tǒng)的有效距離，目前，TOF在室內測量距離最大可以到10米，而室外強光干擾的話，在5米左右。楊建軍介紹稱。在懸停狀態(tài)下，TOF系統(tǒng)會一直保持快速旋轉，每秒鐘旋轉2-5圈。這是因為，在旋轉的過程中系統(tǒng)就可以完成對周圍有效半徑內的360范圍進行快速掃描，從而用較快的速度發(fā)現(xiàn)障礙，然后對飛控系統(tǒng)發(fā)出調整位置的指令，

17、避免對周圍的人或財物造成傷害；當在飛行的過程中，TOF系統(tǒng)則會停止旋轉，只把光發(fā)射到前進的方向上。固定方向的時候，在室外的有效距離可以增加到8-10米。TOF避障大疆在2015年6月初推出了一個全新的官方智能避障系統(tǒng)“Guidance”，配套一個全新的可開發(fā)無人機平臺“經(jīng)緯”系列（Matrice 100）使用。這套Guidance系統(tǒng)同樣可以在前、后、左、右和下，一共5個方向上進行障礙識別，而識別的機制分為兩個部分，分比為是超聲波和機器視覺。也就是說，除了常規(guī)的超聲波模塊以外，5個方向上還專門放置了攝像頭用于獲取視覺圖像，然后直接傳輸?shù)綑C載的英特爾凌動（Atom）Bay Trail處理器進行計

18、算處理。另外，進入消費級無人機市場時間較早的Parrot，也在跟英偉達（Nvidia）進行避障方面的合作，同樣采用了包含機器視覺的復合型避障系統(tǒng)。這種復合型避障系統(tǒng)，相對前兩種提到的模式來說技術含量更高一些。當然在工作效率上也有一定的優(yōu)勢。Guidance系統(tǒng)配合大疆的Matrice 100無人機開發(fā)平臺使用，可以為更多與物聯(lián)網(wǎng)有關的商業(yè)化使用場景帶來幫助，比如停車場管理。在室內GPS用于定位基本可以免談了，在地下停車場中光照條件一般不太好，而超聲波與機器視覺加起來，幾乎可以在任何照度下對多種材質進行較好的識別，從而對無人機在地下停車場封閉環(huán)境中的飛行提供更好的指導，識別的有效范圍可以顯著提升，準確度往往可以達到厘米級。復合型、機器視覺避障系統(tǒng)六、無人機發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢現(xiàn)狀1.無人機深受各國青睞：（1）隱蔽性好，生命力強；（2）造價低廉， 不懼傷亡；（3）起降簡單，操作靈活。2.無人機更新快，廣泛用于軍事領域。3.民用也越來越需要無人機，廣泛用于航拍監(jiān)測。趨勢1.增大航時，提高速度；2.隱身機體，縮小體積，提高機動能力和生存能力；3.高度智能，加載武器，提高無人機攻擊能力；4.系統(tǒng)集成，綜合傳